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uito antes da época de Dalton, já havia evidências que apontavam que a matéria deveria ser divisível. Uma das primeiras evidências para a existência de cargas elétricas na matéria é o fenômeno da eletricida-de estática, gerada ao se atritar materiais isolantes. Esse fenômeno é conhecido desde a época dos gregos, que observavam que o âmbar (elektron, em grego), uma resina natural, ao ser atritado com tecidos adquiria a propriedade de atrair corpos leves, como pedaços de palha. Obviamente, nesta época o fenômeno observado não tinha nenhuma explicação plausível, e só muito mais tarde o fe-nômeno foi associado à separação de cargas elétricas que estão presentes em toda matéria, em decorrência do atrito do âmbar com o tecido.Para serem possíveis os estudos que levaram à compreensão da natureza da eletricidade, e sua relação com a constituição elétrica de toda matéria que constitui o universo, foram necessários os trabalhos de muitos cientistas, ao lon-go de muito tempo.
Embora fosse conhecido desde a Antiguidade como gerar eletricidade por atrito, não havia nenhum meio conhecido de produzi-la e armazená-la de modo contínuo. A partir de observações feitas por Otto Von Guericke, por volta Vídeo com audiodescrição
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Disco metálico fixo por um eixo central, que gira e está ligado a uma polia. Partindo de suas bordas e convergindo para o centro, teclas metálicas fazem o disco se assemelhar a um relógio analógico. Duas barras metálicas são dispostas a cada lado do disco. Destas, saem dois braços metálicos, em cujas extremidades estão, uma ponta de borracha e uma bola metálica. O conjunto todo está fixado em uma armação de madeira.
Fim da descrição.
de 1650, de que se podia gerar eletricidade estática por atrito em uma bola de enxofre em rotação, surgiram projetos das chamadas “máquinas de atrito”. Com a utilização destas máquinas ( algumas delas ainda utilizadas hoje em demons-trações em aulas de Ciências ), era possível obter tensões elevadas, que resulta-vam em grandes descargas elétricas através do ar, semelhantes a um raio. No entanto, ainda não era possível armazenar a eletricidade produzida para uso de maneira controlada.
Máquina Eletrostática de Wilmhurst
O primeiro dispositivo prático para o armazenamento de eletricidade pro-duzida por atrito surgiu por volta de 1744-1746 e é conhecido como garrafa de Leiden, o que hoje se conhece como um capacitor elétrico. Este dispositi-vo foi proposto independentemente por Pieter van Musschenbroek, cientista
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Pintura de fundo bege e marrom. O físico italiano, Alessandro Volta, está apresentado da cintura para cima, inclinado a esquerda, e olhando para frente. Cabelo branco curto. Casaco comprido preto, com camisa e gravata brancas. À sua frente uma mesinha verde, com um protótipo de pilha elétrica, e em sua mão direita um livro marrom.
Fim da descrição.
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Pintura de fundo bege e marrom. Luigi Galvani de cintura para cima com a cabeça inclinada para a esquerda. O cientista italiano, usa peruca branca com as pontas enroladas, camisa branca larga e casaco aberto preto. Em sua mão direita um vidro, no qual está estendida, a parte inferior do corpo de uma rã dissecada, e na esquerda um instrumento fino arredondado, cor de cobre.
Fim da descrição.
holandês, professor da Universidade de Leiden, e Ewald Georg von Kleist, físico alemão.
Apesar de ser possível armazenar eletricidade em garrafas de Leiden, os estudos relacionados com a natureza elétrica da matéria só tiveram gran-de gran-desenvolvimento a partir da invenção gran-de um dispositivo capaz gran-de produzir eletricidade de modo contínuo e controlável, a “pilha elétrica”. A primeira pilha elétrica foi montada pelo físico italiano Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Volta (1745-1827) em 1800.
Alessandro Volta Luigi Galvani
Tal construção foi decorrente da disputa científica entre Volta e outro cientista italiano, Luigi Galvani (1737-1798), sobre a natureza de um fenômeno descrito por Galvani. Este último observou que ao dissecar pernas de rãs, os músculos das pernas sofriam contrações quando tocadas por dois metais dife-rentes, como se a rã estivesse viva. Galvani atribuiu este fenômeno à existência de uma “eletricidade animal”, que teria origem biológica. Volta atribuiu a origem do fenômeno observado por Galvani ao par metálico em contato com a perna
da rã e concluiu que a perna da rã servia apenas como condutora e detectora da eletricidade produzida. A partir dessas ideias, substituiu a perna da rã por salmoura colocada em um copo, e ao mergulhar dois metais diferentes na sal-moura, montou o primeiro dispositivo capaz de produzir corrente elétrica de maneira contínua e controlada. Volta concluiu que os metais que apresentavam os melhores resultados eram zinco e prata. Posteriormente, Volta substituiu a solução de salmoura na qual mergulhava as placas dos dois metais por discos feitos desses dois metais dispostos alternadamente, separados por papel em-bebido em salmoura, com cada extremidade da pilha terminando com discos de metais diferentes. Tal dispositivo ficou conhecido como “pilha de Volta” e, depois, por pilha elétrica.
Volta encaminhou os resultados de sua descoberta para o Presidente da Royal Society, sir Joseph Banks, em carta datada de 20 de março de 1800, que se-ria complementada por uma segunda missiva, para posterior publicação. Nesse intervalo, Banks comentou os resultados com o cirurgião inglês Anthony Carlisle (1768-1840). Carlisle e o químico William Nicholson (1753-1815) montaram uma pilha na tentativa de reproduzir os resultados relatados por Volta em sua carta.
Ao montarem o dispositivo, observaram que a passagem da corrente elétrica produzida pela pilha através da água provocava o desprendimento de gases.
O gás produzido em cada um dos terminais elétricos foi recolhido isoladamen-te, sendo que o volume de gás recolhido em um dos terminais elétricos era o dobro do recolhido no outro. Posteriormente, esses gases foram identificados como sendo hidrogênio e oxigênio moleculares. O volume de hidrogênio ob-tido no processo era sempre o dobro do de oxigênio. Com esse experimento Carlisle e Nicholson descobriram o fenômeno da eletrólise, e ao mesmo tempo resolveram antiga disputa sobre a fórmula da água.
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Pintura de fundo marrom e bege, de Michael Faraday. O físico e químico inglês, está de pé, apoiando o cotovelo direito em uma mesa, na qual está um objeto retangular, do qual sai um fio. Cabelos pretos ondulados e pele branca. Camisa branca com gola alta e uma faixa preta em cima da gola. Casaco preto e mãos entrelaçadas.
Fim da descrição.
Michael Faraday
Em seguida, ao estudar o fenômeno da eletrólise em 1832, o físico e quí-mico inglês Michael Faraday (1791-1867) estabeleceu relações quantitativas en-tre a quantidade de cargas elétricas que circula por uma solução condutora de eletricidade e as massas depositadas, ou dissolvidas, nos eletrodos.
A essa altura, com a observação de que o funcionamento da pilha elétrica estava associado ao desgaste dos discos de zinco, provocado por reações quí-micas responsáveis pela geração de corrente elétrica, e que durante o processo de eletrólise, reações químicas eram promovidas pela passagem de corrente elétrica pelas soluções, era indiscutível a necessidade de se rever o conceito da matéria ser formada por átomos indivisíveis. O caminho que levou à revisão do modelo atômico sem dúvida nenhuma se iniciou com a capacidade dos
cientistas disporem de uma fonte contínua e controlável de corrente elétrica, o que foi fornecido pela pilha de Volta.
No entanto, os experimentos que levaram à descoberta das partículas elementares componentes do átomo divisível, envolveram principalmente es-tudos de descargas elétricas de alta voltagem através de gases em diferentes pressões. O desenvolvimento das pesquisas nessa área dependeu fortemente do desenvolvimento das técnicas de produção de ampolas de vidro contendo gases em baixas pressões, dotadas de eletrodos metálicos que permitiam a co-nexão com dispositivos capazes de fornecerem correntes elétricas de tensões elevadas, a partir de corrente elétrica obtida através de associações de pilhas de Volta. No desenvolvimento destes dispositivos estão envolvidos os nomes de pesquisadores e técnicos, tais como Geissler, Plücker, Ruhmkorff e Crookes, dentre outros, cujas contribuições serão comentadas brevemente a seguir.
6.1. Desenvolvimento de técnicas envolvidas nos estudos de descar-gas elétricas em descar-gases a baixas pressões
Em 1851, Heinrich Daniel Ruhmkorff (fabricante alemão de instrumentos científicos, 1803-1877) patenteou seu projeto de [ref. 2] bobina de indução, apri-morando o dispositivo inventado por Nicholas Callan em 1831. Seu projeto foi tão bem-sucedido, resultando em tensões tão elevadas que permitiam a ob-tenção de faíscas de até 30 centímetros de comprimento no ar. Por essa razão, a denominação Bobina de Ruhmkorff passou a ser tomada como sinônimo de bobina de indução. Este foi o primeiro desenvolvimento que tornou possível o início das descobertas que levaram à reformulação do modelo atômico de Dalton.
Os outros dois desenvolvimentos técnicos essenciais para o avanço des-ses estudos – a criação de bombas de vácuo eficientes, e a produção de ampo-las seladas de vidro, contendo gases a baixas pressões e dotadas de eletrodos metálicos em suas extremidades – foram elaborados pelo físico e produtor de instrumentos científicos alemão Johann Heinrich Wilhelm Geissler (1815-1879).
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Imagem em preto e branco de Heinrich Daniel Ruhmkorff. O fabricante de instrumentos científicos traja casaco escuro. Têm ossos salientes em volta dos olhos, o que os deixa fundos, e o seu entorno escuro. Os cabelos são grisalhos e repartidos para o lado esquerdo.
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Figura com o fundo cinza e branco. Wilhelm de frente, da cintura para cima, com a cabeça levemente incli-nada para a direita. Careca na parte superior da cabeça e na lateral cabelo brancos curtos. Pele branca, óculos prateado, com as lentes redondas. Camisa branca, pequena gravata e casaco fechado com botões pretos.
Fim da descrição.
Heinrich Ruhmkorff Johann Heinrich Wilhelm Geissler
Os tubos comercializados por Geissler, conhecidos como tubos de Geiss-ler, continham gases diferentes em pressões da ordem de dez elevado a menos três atm (atmosfera). Quando seus eletrodos são ligados aos terminais de uma bobina de Ruhmkorff, nota-se a produção de emissão colorida, cuja cor é de-pendente da natureza do gás contido no tubo, e que ocupa todo o espaço en-tre os eletrodos, independentemente do formato do tubo. Os tubos de Geissler são utilizados até hoje, no que conhecemos como “anúncios de néon”.
Em 1856, o físico e matemático alemão Julius Plücker (1801-1868) enco-mendou vários tubos a seu colega Geissler, e iniciou seus estudos sobre a lu-minescência observada no funcionamento dos mesmos. Juntamente com o físico alemão Johann Wilhelm Hittorf (1824-1914) observou que em tubos de Geissler com pressão interna mais baixa era observada luminescência do vidro na região oposta ao eletrodo negativo, o cátodo. Além disto, observou que esta luminosidade sofria deflexão quando submetido à ação de campos mag-néticos. Em 1870, o físico alemão Eugen Goldstein (1850-1930) denominou essa luminescência de raios catódicos, por aparecer oposta ao cátodo, nome pelo qual o fenômeno passou a ser designado a partir de então.
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Figura de fundo branco. Julius Plucker levemente inclinado para a esquerda olha para frente da figura. Camisa branca com gola alta, colete e paletó pretos. Pele branca e cabelos curtos encaracolados pretos com fios bran-cos. Na lateral direito escrito Hoffmann mil oitocentos e cinquenta e seis.
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Figura com o fundo cinza e branco. Wilhelm de frente, da cintura para cima, com a cabeça levemente incli-nada para a direita. Careca na parte superior da cabeça e na lateral cabelo brancos curtos. Pele branca, óculos prateado, com as lentes redondas. Camisa branca, pequena gravata e casaco fechado com botões pretos.
Fim da descrição.
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Figura de fundo bege e marrom. William Crookes de cintura para cima com o corpo inclinado para a esquerda, olhando para frente da pintura. Cabelo curto castanho, barba e bigode fartos. Casaco e colete azul. Gravata vermelha. Em sua mão direita uma ampola pequena.
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Julius Plücker Johann Wilhelm Hittorf William Crookes
Papel fundamental nos estudos envolvendo descargas elétricas em pres-sões reduzidas foi desempenhado pelo químico e físico inglês William Crookes (1832-1919). Tendo a bomba de vácuo sido aperfeiçoada pelo grupo de pesqui-sa de Cookes, ele conseguia produzir tubos de Geissler (cuja pressão interna ori-ginal era da ordem de dez elevado a menos seis atm (atmosfera)) com pressões finais na faixa entre dez elevado a menos seis atm (atmosfera) e dez elevado a menos oito atm (atmosfera). Em experimentos realizados com tubos com gases em pressões internas cada vez menores, Crookes observou inicialmente que a coluna colorida que ocupava de maneira uniforme todo o interior do tubo nas pressões da ordem de dez elevado a menos três atm (atmosfera) atm começava a apresentar espaços escuros que se afastavam do eletrodo negativo do tubo.
Posteriormente observou que quando a pressão interna no tubo era da ordem de dez elevado a menos seis atm (atmosfera), a faixa escura ocupava todo o espaço entre os dois eletrodos do tubo, mas aparecia luminosidade intensa no vidro oposto ao eletrodo negativo do tubo. Embora ainda não conhecessem a origem do fenômeno, os estudos foram continuados, usando diversas for-mas de tubos modificados por Crookes, designados de um modo geral como
“tubos de Crookes”. A partir dos trabalhos com os tubos de Crookes, diversas observações gerais a respeito foram feitas:
1. A luminescência do vidro sempre aparecia na direção oposta ao eletrodo negativo do tubo (cátodo), independentemente da posição do eletrodo
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Ampola de Crookes em pressão alta. Uma forma arredondada de vidro com três saliencias, uma acima e duas em suas laterais.
Uma corrente elétrica ligando a saliencia de cima na saliencia do lado direito.
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Fotografia colorida em fundo preto, de ampola arredondada. com tons de verde nas bordas e de azul puxando para o roxo no centro, a ampola apresenta uma leve luminescência.
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positivo. Por essa razão, Goldstein passou a chamar a emissão responsável pela luminescência do vidro de “raios catódicos”.
Ampola de Crookes em pressão alta Ampola de Crookes em baixa pressão
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Figura dividida em duas partes. Em cima foto de fundo bege, com uma ampola grande transparente ligada á uma ampola pequena transparente em sua parte inferior. Na ponta das duas ampolas um fio. Na figura abaixo as mesmas ampolas, mas a figura com fundo escuro, a ampola grande em azul e verde, a a ampola pequena em azul.
Fim da descrição.
2. Um objeto colocado no caminho entre o eletrodo negativo do tubo e o vidro no lado oposto, projetava uma sombra com a forma do objeto sobre o vidro. Isto sugere que a propagação dos raios catódicos é retilínea.
Ampolas com cruz de malta
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Figura desenhada em fundo branco. Ampola em preto e branco com uma parte em transparência, um gancho pendurado abaixo. Dentro um fio que vai até as duas pontas da ampola, de um lado positivo e de outro negativo. Letras N, G, D, C, F, P, E, em volta da ampola.
Fim da descrição.
3. A emissão dos raios catódicos é sempre perpendicular à superfície do ele-trodo negativo. Deste modo, se for empregado um eleele-trodo curvo, os raios catódicos podem ser focados num ponto.
4. Observou-se que quando um campo elétrico era aplicado através de pla-cas metálipla-cas colocadas perpendicularmente ao feixe de raios catódicos, o feixe era desviado em direção da placa positiva, o que sugeria que os raios catódicos eram constituídos por cargas negativas.
5. Quando os polos norte e sul de um ímã eram colocados um de cada lado do feixe de raios catódicos, observou-se um deslocamento do feixe em di-reção perpendicular ao campo magnético. O comportamento observado está inteiramente de acordo com o previsto pelas leis de Faraday para uma corrente elétrica percorrendo um fio condutor, quando submetido à ação de um campo magnético perpendicular.
Ampola de raios catódicos submetida a um campo magnético
6. Quando se fez incidir um feixe de raios catódicos sobre as pás de um cata--vento capaz de girar livremente, observou-se que o catacata--vento se movia em direção oposta ao cátodo. Embora haja controvérsias sobre a veraci-dade das conclusões, Crookes interpretou que o deslocamento se devia ao fato dos componentes dos raios catódicos terem momento, isto é, pos-suírem massa e velocidade devendo então ser constituídos por partículas materiais.
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Figura desenhada em fundo branco. Tubo de Crookes, transparente apoiado em uma base de madeira. No interior um catavento apoiado em laminas de ferro fina. Na parte superior interna, dos dois lados da ampola, um ferrinho retorcido com pontas arredondadas.
Fim da descrição.
Tubo de Crookes com montagem contendo cata-vento interno
A identificação inequívoca da constituição dos raios catódicos foi feita pelo físico inglês Joseph John Thomson (1856-1940), que provou que eram formados por corpos muito menores que um átomo, tendo carga negativa.
Thomson denominou estes corpos de “corpúsculos”, nome posteriormente substituído por elétron dado anteriormente por George Stoney, devido ao fato de terem o mesmo tipo de carga elétrica (negativa) que a gerada quando o âmbar era atritado com um pedaço de tecido.
A partir de estudos de deflexão dos raios catódicos em ampolas desen-volvidas especialmente para este fim, em 1897 Thomson determinou a relação massa/carga do elétron, que se mostrou ser perto de 1000 vezes menor que a massa encontrada para um átomo de hidrogênio em medidas de eletrólise.
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Apoiado horizontalmente em dois pontos por uma armação de madeira, o tubo de vidro é composto por quatro diferentes segmentos principais, que apresentam formas diversas e apêndices dispostos em posições variadas. O Primeiro é formado por uma grande esfera, que se liga ao segundo mais estreito e em forma tubular. Este tem dois pequenos apêndices fechados, um superior e outro inferior. O terceiro segmento, mais estreito que o segundo, possui apenas um apêndice superior, mais comprido que os anteriores. O quarto segmento é for-mado por uma esfera bem menor que a primeira, com três apêndices. Um inferior, fechado. Um lateral fechado e mais largo. E um superior, mais estreito, do qual sai outra ramificação que é aberta.
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Tubo original de raios catódicos empregado por Thomson para a determinação da relação carga/massa do elétron
Embora na época Thomson não tivesse elementos suficientes para essa afirmação, ele ousou propor que as partículas negativas eram constituintes uni-versais negativos da matéria, o que posteriormente foi confirmado.
Como a matéria em seu global é eletricamente neutra, Thomson postulou para o átomo um modelo em que as cargas negativas dos elétrons deveriam ser exatamente contrabalançadas por igual número de cargas positivas, e essa carga estaria distribuída numa esfera de carga positiva, dentro da qual os elé-trons se moveriam. Embora Thomson não tenha usado este termo, e não cor-responda exatamente ao modelo atômico preconizado por ele, este se tornou conhecido como o modelo “pudim com passas”; Rutherford, posteriormente, provou que tal modelo estava errado. Outro detalhe que deve ser lembrado é que em seu modelo Thomson não propôs que a esfera de cargas positivas seria formada por prótons, mas sim por uma esfera com a carga positiva total distribuída uniformemente por ela.
Como a matéria em seu total é neutra, era óbvio de que deveria haver uma partícula elementar de carga positiva. É de se esperar que num tubo de descarga as partículas positivas deveriam se deslocar em sentido oposto aos dos elétrons, aparecendo na região oposta ao ânodo da ampola (polo positivo).
Para poder observar as partículas positivas, o físico Eugen Goldstein modificou